1、散射光技術的基本原理

散射光技術是一種檢測表面微觀形貌的新方法，其由VDA 2009定義。本標準描述了散射光角分辨率的測量方法，該法特別適用于摩擦因數要求非常低的光滑表面，其基于光散射定律和鏡面模型。散射光法的概念如圖1所示。入射光以粗糙表面的微觀形貌角φ反射。通過Fourier光學，反射光在聚焦平面上傳輸。探測器記錄散射角的強度分布，也就等同記錄了頻率分布。

鏡面反射的關系如圖2所示。該面的幾何特征可用角θ或梯度dz/dx表征。幾何光學允許應用如圖2所示的反射定律。表面的輪廓邊緣沒有高的梯度，因此可假設為

則散射角為

圖2所示的角分布的方差可像VDA 2009定義的那樣作為參數Aq進行計算。

式中:θ-為第一統計動差，且為射線束的平均散射角；p(2θ_i)為一個角類的標準化單一概率。單次超精和多次超精表面的標準化分布如圖3所示。使用(3)式計算得到Aq =3.80(對于多次超精表面)和Aq =30.33(對于單次超精表面)。共聚焦顯微鏡的計數測量顯示了顯著的相關性。

2、對形狀輪廓進行Fourier分析來評估聲學特性

為了預測軸承諧波激勵下的噪聲特性，采用Fourier分析法分析形狀輪廓，其理念是套圈表面上滾動的球會激勵軸承振動。軸承的激勵可分為寬帶激勵和諧波激勵。諧波激勵下聲音更不悅耳，因為會產生一種單音并在調制過程中發生變化。

滾動軸承行業通常在一種理想條件下，在精密測量室里用形貌儀測量形狀和波紋度。這種測量在生產環境的應用是不可取的，因為環境振動會使測量結果失真。這些畸變的測量極易導致代價昂貴的誤讀。最大圓度偏差為1.88μm的磨削內圈的形狀輪廓如圖5所示，主要由長波部分主導。使用低通濾波器消除了高頻成分(波紋度和表面粗糙度)，計算圓度或Δr。

為了評估高頻部分，形狀輪廓經過FFT(快速Fourier變換)。波數233處有明顯的峰，如圖5所示。雖然絕對幅值僅有0.075μm，但導致軸承發出異常聲。中高頻范圍內的頻率(波數>25)通常是噪聲的來源。

3、散射光技術在軸承工業中的應用

3.1 軸承套圈的100%測量

軸承生產中的質量保證需要精密測量，目的是在大批量和短周期生產時滿足最嚴格的公差。由于實驗室測量費用高，例如到實驗室的步行距離長且測量周期長，傳統的測量方法只能通過測量樣品來監測過程，生產過程中的隨機誤差極易被忽略。因此，100%在線過程監測將成為主要優勢。用于100%監測外圈滾道的在線集成測試機中的散射光傳感器如圖7所示。散射光傳感器可測量滾道的形狀、波紋度和表面粗糙度。在球軸承的成批生產中可能出現的典型故障和未完全超精的溝道實例如圖8所示。

如果這些誤差位于滾動零件的接觸區域，則軸承在將來的運行中極有可能產生噪聲。在隨機抽樣檢驗中，這些誤差僅能被偶然發現。

散射光測量裝置如圖9所示，散射光的1024個重疊測量點分布在圓周上。在超精良好的表面，Aq值位于公差邊界之間。磨削套圈的Aq值明顯超過了公差范圍，極易檢測出超精不良的局部區域。當對套圈形狀進行評估時也獲得類似的結果。未完全超精套圈的圓度圖和圓度輪廓的幅值譜如圖10所示，在精磨區域的圓度輪廓中可見局部波紋。幅值譜也顯示了這一誤差，因此可在100%監測中用一條降低的公差曲線將該套圈評定為缺陷并將其挑除。測試機對1個套圈進行測量和評估僅需不到1 s的時間，如圖11所示。測量的強制性要求是表面潔凈。因為表面上油膜薄且均勻分布不會影響測量，所以不需要單獨的清洗工序。

(來源：軸承雜志社）

軸研所公眾號           軸承雜志社公眾號